JP7049586B2

JP7049586B2 - 電池

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Publication number: JP7049586B2
Application number: JP2018212381A
Authority: JP
Inventors: 博之中山; 和幸草間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: JP2020080225A

Description

本発明は、電池に関する。

特許文献１には、正極と負極とを有する電極体と、上記電極体を収容する電池ケースと、上記電池ケースの内部で上記負極と電気的に接続されている負極集電端子と、を備えた電池が開示されている。特許文献１では、上記負極と上記負極集電端子とを電気的に接続する方法として、負極の負極集電体（金属箔）と負極集電端子（金属板）とを溶接接合する方法が採用されている。

溶接接合の手法としては、抵抗溶接や超音波溶接が知られている。例えば、抵抗溶接では、負極集電体上に負極集電端子を配置し、一対の電極で上方と下方から押圧した状態で電流を流す。これにより、負極集電体と負極集電端子との接触界面にジュール熱を発生させて、接触界面の酸化被膜を除去し、接触界面に溶接接合部（ナゲット）を形成する。

特開２０１３－０３７９３６号公報特開平１１－３０７０７８号公報特開２０１１－２３８４１２号公報

ところで、電池の使用時には、振動や衝撃等によって溶接接合部に負荷がかかることがある。そのため、溶接接合部の接合強度は、より高いことが好ましい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、負極集電体と負極集電端子との溶接接合部の接合強度が向上した電池を提供することを目的とする。

本発明により、端子引出孔を有する電池ケースと、上記電池ケースの内部に収容され、銅からなる負極集電体と、上記負極集電体上に固着された負極合材層と、を有する負極と、上記電池ケースの内部で上記負極集電体と溶接接合され、かつ、上記端子引出孔を挿通して上記電池ケースの外部に突出している負極集電端子と、上記電池ケースと上記負極集電端子との間を絶縁および封止するシール部材と、を備える電池が提供される。上記負極集電端子は、銅または銅合金からなり、かつ、上記負極集電体と溶接接合されている溶接対象面と、上記シール部材を介して上記電池ケースの内面に対向されているシール面と、を有する。上記溶接対象面の表面粗さＲａは、０．５μｍ以上３．９μｍ以下である。上記シール面の表面粗さＲａは、０．５μｍ以下である。

本発明では、上記Ｒａ値の範囲を満たすように負極集電端子の溶接対象面の粗度が高められている。これにより、溶接接合時には接触界面の抵抗を増加させて、より多くのジュール熱を発生させることができる。その結果、接合強度の向上した溶接接合部を形成することができる。また、本発明では、上記Ｒａ値となるように負極集電端子のシール面の粗度が抑えられている。これにより、電池ケースと負極集電端子との間を安定的にシールして、電池の気密性を維持確保することができる。

なお、本明細書において「表面粗さＲａ」とは、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３年に基づく算術平均粗さをいう。また、集電端子の表面粗さの調整に関連する従来技術として、特許文献２、３が挙げられる。

一実施形態に係る電池を模式的に示す一部破断図である。負極側の端子引出孔の近傍を模式的に示す部分拡大断面図である。負極端子構造を説明するための分解斜視図である。溶接対象面の表面粗さＲａと接合強度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、ここで提案される電池の一実施形態について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

なお、本明細書において「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、一次電池と二次電池とを包含する概念である。また、「二次電池」とは、繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池（いわゆる化学電池）と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（いわゆる物理電池）と、を包含する概念である。

図１は、電池１０の一部破断図である。図２は、負極側の端子引出孔Ｈ１の近傍を模式的に示す部分拡大断面図である。図３は、負極端子構造を説明するための分解斜視図である。なお、以下の説明において、図面中の符号Ｕ、Ｄは、上、下を表し、図面中の符号Ｚは、上下方向を表すものとする。ただし、これは説明の便宜上の方向に過ぎず、電池１０の設置形態を何ら限定するものではない。

本実施形態に係る電池１０は、リチウムイオン二次電池である。電池１０は、電池ケース２０と、電極体３０と、図示しない電解質と、負極集電端子４０と、ガスケット５０と、インシュレータ６０と、負極外部端子７０と、正極集電端子８０と、正極外部端子９０と、を備えている。負極端子は、主として電池ケース２０の内部に位置する負極集電端子４０と、電池ケース２０の外部に位置する負極外部端子７０と、が電気的に接続されて構成されている。同様に、正極端子は、正極集電端子８０と、負極外部端子７０と、が電気的に接続されて構成されている。

電池ケース２０は、扁平かつ有底の直方体形状に形成されている。電池ケース２０は、上方に向かって開口された開口部２１Ａを有する電池ケース本体２１と、開口部２１Ａを塞ぐ蓋体２２と、を備えている。電池ケース本体２１の外形は、有底四角筒状である。蓋体２２の外形は、開口部２１Ａの形状に適合する略長方形状である。蓋体２２は、電池ケース本体２１の開口部２１Ａに嵌め込まれている。蓋体２２の外縁と、電池ケース本体２１の開口部２１Ａの周囲との合わせ目２５は、レーザー溶接されている。蓋体２２は電池ケース本体２１に固定されている。電池ケース２０は密閉されている。

電池ケース２０（具体的には、電池ケース本体２１および蓋体２２）の材質は、従来から使用されているものと同じでよく、特に制限はない。放熱性等の観点から、電池ケース２０は、軽量で熱伝導性の良い金属材料、例えば、アルミニウムやステンレス鋼（ＳＵＳ）で構成されていてもよい。蓋体２２の長辺方向の両端部分には、それぞれ、負極用の端子引出孔（貫通孔）Ｈ１と正極用の端子引出孔（貫通孔）Ｈ２とが設けられている。また、蓋体２２には負極外部端子７０と正極外部端子９０とが取り付けられている。

電極体３０は、電池ケース２０の内部、すなわち、電池ケース本体２１と蓋体２２とで囲まれた空間に配置されている。電極体３０は、ここでは捲回型の電極体（捲回電極体）である。電極体３０を構成する材料および部材は、従来と同様でよく、特に制限はない。電極体３０は、帯状の負極シート３２と帯状の正極シート３４とが、セパレータシート３６を介して重ねられ、長辺方向に捲回されて構成されている。セパレータシート３６としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔質樹脂シートが挙げられる。

負極シート３２は、帯状の負極集電体３２Ａと、負極集電体３２Ａ上に固着された負極合剤層と、を有する。負極集電体３２Ａは、銅からなる。負極集電体３２Ａは、例えば平均厚みが概ね５μｍ以上５０μｍ以下、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下の銅箔である。負極集電体３２Ａの表面粗さＲａは、負極集電端子４０との溶接接合時に抵抗を増加させる観点から、概ね０．０５μｍ以上、例えば０．１μｍ以上であるとよい。また、負極集電体３２Ａの表面粗さＲａは、負極集電体３２Ａそのものの強度を向上する観点や、負極集電端子４０との溶接接合時に抵抗が大きくなり過ぎることを抑える観点から、概ね０．４μｍ以下、例えば０．３μｍ以下であるとよい。負極合剤層は、負極活物質（例えば黒鉛等の炭素材料）を含んでいる。負極合剤層は、帯状の負極集電体３２Ａの一方の長辺に沿って、負極集電体３２Ａよりも短い幅で、帯状に形成されている。

正極シート３４は、帯状の正極集電体３４Ａと、正極集電体３４Ａ上に固着された正極合剤層と、を有する。正極集電体３４Ａは、例えばアルミニウムなどの導電性金属からなる。正極集電体３４Ａは、例えばアルミニウム箔である。正極合剤層は、正極活物質（例えばリチウム遷移金属複合酸化物）を含んでいる。正極合剤層は、帯状の正極集電体３４Ａの一方の長辺に沿って、正極集電体３４Ａよりも短い幅で、帯状に形成されている。

電解質は、従来と同様でよく、特に制限はない。電解質は、例えば、非水系溶媒と支持塩とを含有する非水系の液状電解質（非水電解液）である。非水水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネートである。支持塩は、例えば、ＬｉＰＦ_６等のフッ素含有リチウム塩である。

負極集電端子４０は、電池ケース２０の内部で、負極シート３２の負極集電体３２Ａに溶接接合されている。負極集電端子４０は、蓋体２２の長辺方向の一端側（図１の右端部）に設けられた負極用の端子引出孔Ｈ１を挿通して、電池ケース２０の内部から外部へと引き出されている。負極集電端子４０は、ガスケット５０とインシュレータ６０とを介して絶縁された状態で、蓋体２２に固定されている。負極集電端子４０は、電池ケース２０の外部で、外部接続用の負極外部端子７０と電気的に接続されている。負極集電端子４０は、負極シート３２と負極外部端子７０とを電気的に接続する導通経路を構成している。負極集電端子４０は、銅または銅合金からなる。銅合金としては、例えば、黄銅（Ｃｕ－Ｚｎ系合金）、青銅（Ｃｕ－Ｓｎ系合金）、白銅（Ｃｕ－Ｎｉ系合金）アルミニウム青銅、ベリリウム銅等が挙げられる。負極集電端子４０は、例えば折り曲げ加工などによって１枚の金属板から形成されていてもよく、複数の金属部材を組み合わせて一体化することによって形成されていていてもよい。

負極集電端子４０は、第１リード部４２と、第２リード部４４と、台座部４６と、を有する。第１リード部４２は、上下方向Ｚに沿って延びている。第１リード部４２は、蓋体２２に対して略垂直に延びている。第１リード部４２は、平板状である。第１リード部４２の一方の側面４２Ａには、負極シート３２が対向している。側面４２Ａの表面粗さＲａは、０．５μｍ以上であって３．９μｍ以下、例えば２μｍ以下であることが好ましい。さらに、側面４２Ａの最大高さ粗さＲｚは、概ね２μｍ以上、例えば２．４μｍ以上であって、概ね１２．５μｍ以下であることが好ましい。側面４２Ａには、負極シート３２の負極集電体３２Ａが溶接接合され、ナゲットＮが形成されている。側面４２Ａは、集電面である。負極集電端子４０は、ナゲットＮを介して負極シート３２と電気的に接続されている。ナゲットＮは、側面４２Ａが上記表面粗さＲａを満たすことで、上記表面粗さＲａを満たさない場合と比較して、相対的に高い接合強度を有する。側面４２Ａは、負極シート３２と溶接接合されたナゲットＮを備える溶接対象面の一例である。なお、第１リード部４２の側面４２Ａとは反対側の側面については、表面粗さＲａは特に制限されない。側面４２Ａと反対側の側面は、例えば、側面４２Ａと同じ表面粗さＲａであってもよいし、側面４２Ａよりも表面粗さＲａが大きくてもよいし、側面４２Ａよりも表面粗さＲａが小さくてもよい。

第２リード部４４は、第１リード部４２の上端に連結している。第２リード部４４は、第１リード部４２の上端から図３の奥側に向かってクランク状に屈曲し、上下方向Ｚに延びている。第２リード部４４は、蓋体２２に対して略垂直に延びている。第２リード部４４の表面粗さＲａは特に制限されない。第２リード部４４の側面は、例えば、第１リード部４２の側面４２Ａと同じ表面粗さＲａであってもよいし、側面４２Ａよりも表面粗さＲａが大きくてもよいし、側面４２Ａよりも表面粗さＲａが小さくてもよい。

台座部４６は、第２リード部４４の上端に連結している。台座部４６は、第２リード部４４の上端から略直角に曲がり、図３の奥側から手前に向かって延びている。台座部４６は、端子引出孔Ｈ１の外形よりも外周側に広がった平板状である。台座部４６は、蓋体２２の内面と略平行に延びている。台座部４６の上面４６Ａは、ガスケット５０に接している。上面４６Ａは、ガスケット５０を介して蓋体２２に対向している。上面４６Ａの表面粗さＲａは、０．５μｍ以下であり、例えば０．３μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。上面４６Ａの表面粗さＲａは、典型的には負極集電端子４０の側面４２Ａよりも表面粗さＲａが小さい。上面４６Ａの表面粗さＲａは、例えば第２リード部４４の側面と同じ表面粗さＲａであってもよい。また、上面４６Ａの最大高さ粗さＲｚは、２μｍ以下であることが好ましい。上面４６Ａは、シール面の一例である。

台座部４６の上面４６Ａには、軸部４６Ｓが設けられている。軸部４６Ｓは、上面４６Ａの中央部から上下方向Ｚに延びている。軸部４６Ｓは、蓋体２２に向かって略垂直に延びている。軸部４６Ｓは、電池ケース２０の端子引出孔Ｈ１と負極外部端子７０の貫通孔（リベット孔）７２Ａとに挿通されている。軸部４６Ｓの上端は、かしめ加工によって押し広げられている。なお、図２では、かしめ加工前の軸部４６Ｓの形状を、二点鎖線で表している。かしめ加工された軸部４６Ｓの上端には、鋲部４６Ｒが形成されている。鋲部４６Ｒは、電池ケース２０の外部に突出している。鋲部４６Ｒは、蓋体２２の上方に突出している。鋲部４６Ｒは、負極外部端子７０の貫通孔７３Ａの周囲にかしめられている。このことにより、負極集電端子４０と負極外部端子７０とが接合（締結）され、負極集電端子４０と負極外部端子７０とが電気的に接続されている。

負極外部端子７０は、電池ケース２０の外部に配置されている。負極外部端子７０は、Ｚ状金具７２と端子ボルト７６とを有する。Ｚ状金具７２と端子ボルト７６とは、図示しない固定用ナットを締め付けることにより、連結されている。Ｚ状金具７２は、第一接続部７３と、第一接続部７３から延びる第二接続部７４と、を有する。第一接続部７３は、かしめ加工前の軸部４６Ｓを挿通可能な貫通孔７３Ａを有する。貫通孔７３Ａは、端子引出孔Ｈ１に対応する位置に形成されている。貫通孔７３Ａは、負極集電端子４０の軸部４６Ｓを嵌合可能な大きさの内径を有する。第二接続部７４は、第一接続部７３から蓋体２２の長辺方向に沿って延びている。第二接続部７４は、電池ケース２０から離れる方向にクランク状に屈曲している。第二接続部７４のボルト挿通孔７４Ａには、端子ボルト７６の軸部７７Ａが挿通されている。端子ボルト７６は、頭部７７と軸部７７Ａとを有する。軸部７７Ａは、頭部７７の中央部から上下方向Ｚに延びている。軸部７７Ａは、第二接続部７４から上方に向かって突出している。端子ボルト７６の軸部７７Ａは、外部接続用の接続端子であり、例えば複数の電池１０を組み合わせて組電池を構成する際にはバスバーが取り付けられる部位である。

ガスケット５０は、電池ケース２０の内部に配置されている。ガスケット５０は、電池ケース２０の蓋体２２と、負極集電端子４０の軸部４６Ｓと、を絶縁する部材である。ガスケット５０は、蓋体２２の内面と略平行に延びる平板状である。ガスケット５０は、その中心に、上下方向Ｚに貫通した貫通孔５２と、貫通孔５２の周縁に沿って設けられた中空円筒状の筒部５４と、を有する。貫通孔５２は、かしめ加工前の負極集電端子４０の軸部４６Ｓを挿通可能なように形成されている。筒部５４は、蓋体２２の端子引出孔Ｈ１に挿通されて、蓋体２２と軸部４６Ｓとの直接接触を防止する機能を有する。筒部５４は、その外周面が負極外部端子７０の貫通孔７３Ａの内周面に接触するように配置されている。筒部５４は、その内周面が負極集電端子４０の軸部４６Ｓの外周面に接触するように配置されている。

ガスケット５０は、かしめ加工によって、貫通孔７３Ａを囲む部分が蓋体２２と負極集電端子４０の台座部４６との間に挟み込まれ、上下方向Ｚに圧縮されている。このことにより、電池ケース２０の蓋体２２と負極集電端子４０とが絶縁されるとともに、蓋体２２と負極集電端子４０との隙間がシーリングされている。詳しくは、蓋体２２の端子引出孔Ｈ１と、負極集電端子４０の台座部４６の上面４６Ａとの間が気密に封止されている。ガスケット５０は、シール部材の一例である。ガスケット５０は、使用する電解質に対する耐性と、電気絶縁性とを有し、かつ弾性変形が可能な樹脂材料で構成されている。このような樹脂材料としては、例えば、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）等のフッ素化樹脂や、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等が挙げられる。

インシュレータ６０は、電池ケース２０の外部に配置されている。インシュレータ６０は、蓋体２２と負極集電端子４０および負極外部端子７０とを絶縁する部材である。インシュレータ６０は、取付部６２と、延長部６４と、を有する。取付部６２は、蓋体２２の外面に沿って広がった凹形状を有する。この凹形状の窪みには、負極外部端子７０の第一接続部７３が載せ置かれている。取付部６２には、端子引出孔Ｈ１に対応する位置に貫通孔６２Ａが形成されている。貫通孔６２Ａは、負極集電端子４０の軸部４６Ｓを嵌合可能な大きさの内径を有する。インシュレータ６０は、かしめ加工によって、貫通孔６２Ａを囲む部分が蓋体２２と負極外部端子７０との間に挟み込まれ、上下方向Ｚに圧縮されている。延長部６４は、蓋体２２と負極外部端子７０の第二接続部７４との間に延びている。延長部６４は、端子ボルト７６の頭部７７を受け入れ可能な、長方形状のボルト受け穴６４Ａを有する。頭部７７がボルト受け穴６４Ａに挿通されることで回転が制限され、共回りが阻止されている。インシュレータ６０は、電気絶縁性を有し、弾性変形が可能な樹脂材料で構成されている。このような樹脂材料としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）や、脂肪族ポリアミド等が挙げられる。

なお、上述したような負極端子構造は、次のように形成することができる。例えばまず、図３に示すような形状の軸部４６Ｓを有する負極集電端子４０を用意する。次に、負極集電端子４０のかしめ加工前の軸部４６Ｓを、ガスケット５０の貫通孔５２と、蓋体２２の端子引出孔Ｈ１と、インシュレータ６０の貫通孔６２Ａと、負極外部端子７０の貫通孔７３Ａと、に順番に貫通させて、蓋体２２の外部に突出させる。そして、上下方向Ｚに対して圧縮力が加わるように、蓋体２２から突出した部分をかしめ加工して、ガスケット５０と蓋体２２とインシュレータ６０と負極外部端子７０とを圧着固定する。これにより、負極集電端子４０の軸部４６Ｓの先端に鋲部４６Ｒを形成する。次に、負極集電端子４０の側面４２Ａに負極集電体３２Ａを溶接接合し、電極体３０に負極集電端子４０を取り付ける。次にこれらを電池ケース２０に収納し、蓋体２２と電池ケース２０を溶接等で固定する。以上のようにして、負極集電端子４０と負極外部端子７０とを電気的に接続すると共に、これらを電池ケース２０に固定することができる。

正極端子構造は、特に制限されない。正極端子構造は、例えば集電体や集電端子の材質（金属種）が異なること以外、上述した負極端子構造と同じであってもよい。正極集電端子８０は、電池ケース２０の内部で、正極シート３４の正極集電体３４Ａに電気的に接続されている。正極集電端子８０は、蓋体２２の長辺方向の一端側（図１の左端部）に設けられた正極用の端子引出孔Ｈ２を挿通して、電池ケース２０の内部から外部へと引き出されている。正極集電端子８０は、ガスケット５０とインシュレータ６０とを介して、蓋体２２に固定されている。正極集電端子８０は、電池ケース２０の外部で、外部接続用の正極外部端子９０と電気的に接続されている。正極集電端子８０は、正極シート３４と正極外部端子９０とを電気的に接続する導通経路を構成している。正極集電端子８０は、例えば、アルミニウム、ニッケルなどの導電性金属からなる。

以上の通り、電池１０では、負極集電端子４０の側面４２Ａの粗度が高められている。このため、側面４２Ａに負極集電体３２Ａを溶接接合してナゲットＮを形成する時に、電流の流れる面積を減少させて、抵抗を増加させることができる。このため、より多くのジュール熱を発生させることができ、側面４２Ａと負極集電体３２Ａとの接触界面の温度を上昇させることができる。その結果、例えば接触界面の酸化被膜が破れ易くなって、側面４２Ａに接合強度の向上したナゲットＮを形成することができる。また、本実施形態の電池１０では、負極集電端子４０の上面４６Ａの粗度が抑えられている。これにより、電池ケース２０の蓋体２２と負極集電端子４０の台座部４６との間を安定的にシールして、電池１０の気密性を維持確保することができる。

以下、本発明に関する実施例につき説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。

本発明者らは、上記作用効果を試験的に評価した。具体的には、まず、表１に示すような表面粗さを有する銅製の負極集電端子（比較例１、実施例１）を用意した。また、溶接対象面の表面粗さが実施例１と異なっている銅製の負極集電端子（実施例２～５、比較例２）を用意した。次に、各負極集電端子の溶接対象面に、負極集電体（銅箔、表面粗さＲａ：０．２μｍ）をそれぞれ溶接接合した。そして、引張試験機を用いて、破断強さを測定し、負極集電端子と負極集電体との接触界面に形成されたナゲットＮの接合強度を評価した。結果を図４に相対値で示す。なお、図４では、安定した接合強度が得られる予め定められた規格の値に「規格」と表している。

図４に示すように、比較例１では、相対的に接合強度が弱かった。この理由としては、溶接対象面の表面粗さＲａが小さかったために、負極集電体との接触界面で電流が拡散し、抵抗が低くなった結果、ジュール熱の発生が少なくなったことが考えられる。また、比較例２でも、接合強度の規格は満たしていたものの、相対的に接合強度が弱かった。この理由としては、接触界面における抵抗が大きくなり過ぎて、抵抗溶接が困難になったことが考えられる。

これら比較例に対して、実施例１～５では、溶接対象面の表面粗さＲａを０．５～３．９μｍとすることで、相対的に接合強度の向上した溶接接合部を安定的に形成することができた。また、ここには詳細を示していないが、シール面の表面粗さＲａを０．５μｍ以下とすることで、電池ケースの蓋体との間を気密に封止することができた。以上の結果は、ここに開示される技術の意義を示すものである。

以上、本発明を好適な実施形態により説明したが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん種々の改変が可能である。

１０リチウムイオン二次電池
２０電池ケース
３０電極体
４０負極集電端子
４２Ａ第１リード部の側面（溶接対象面）
４６Ａ台座部の上面（シール面）
５０ガスケット（シール部材）
６０インシュレータ
７０負極外部端子

Claims

端子引出孔を有する電池ケースと、
前記電池ケースの内部に収容され、銅からなる負極集電体と、前記負極集電体上に固着された負極合材層と、を有する負極と、
前記電池ケースの内部で前記負極集電体と溶接接合され、かつ、前記端子引出孔を挿通して前記電池ケースの外部に突出している負極集電端子と、
前記電池ケースと前記負極集電端子との間を絶縁および封止するシール部材と、
を備える電池であって、
前記負極集電端子は、銅または銅合金からなり、かつ、前記負極集電体と溶接接合されている溶接対象面と、前記シール部材を介して前記電池ケースの内面に対向されているシール面と、を有し、
前記シール面の表面粗さＲａは、前記溶接対象面の表面粗さＲａよりも小さく、
前記溶接対象面の表面粗さＲａは、０．５μｍ以上３．９μｍ以下であり、
前記シール面の表面粗さＲａは、０．３μｍ以上０．５μｍ以下である、
電池。